Введение к работе
Актуальность. Традиционные методы исследования материалов при высоких давлениях ориентированны в основном на проведение экспериментов в статических условиях, позволяющих достигать давлений вплоть до 100 ГПа (в алмазных наковальнях) и температур до 3000 К. Динамические методы исследования не только дополняют статические данные, расширяя диапазон изменения термодинамических параметров, но и позволяют получить существенно новую информацию, в частности, о влиянии скорости деформирования на реологические свойства материалов. Это особенно важно при изучении сверхтвердых материалов, которые часто используются в условиях импульсного воздействия, где их поведение может принципиально отличаться от прогноза, основанного на результатах статических испытаний.
В данной работе исследуются ударно-волновые свойства веществ, высокоплотные фазы которых являются сверхтвердыми материалами: фуллерит Сєо, нитрид бора и нитрид кремния. В настоящее время имеется большое количество работ по исследованию этих материалов в статических условиях, однако, информация по их динамическому нагружению практически отсутствует. В частности, нет данных по ударной сжимаемости фуллерита Сєо; нет достоверной информации об упругопластических и прочностных свойствах кубического нитрида бора; отсутствуют данные о влиянии разогрева при ударно-волновом сжатии пористого нитрида кремния на давление начала фазового перехода из графитоподобной фазы в кубическую.
Фуллерит, согласно появившимся в литературе сообщениям [1,2], может быть использован для получения высокопрочного материала. Было обнаружено, что при высоких давлениях и температурах образуются нанокомпозиты из алмазоподобной (sp3) и графитоподобной (sp2) аморфных фаз [3]. Причем, полученные нанокомпозиты имеют чрезвычайно высокие механические характеристики: твердость, сравнимую с показателями для лучших монокристаллов алмаза, а трещиностойкость в два раза превышающую алмазную [3]. В связи с этим интерес представляет исследование возможного перехода фуллерита в алмаз или алмазоподобные фазы при динамическом нагружении.
Нитрид бора и материалы на его основе используются для изготовления абразивного инструмента, а также сверхтвердого режущего инструмента при обработке сталей и сплавов черных металлов. В таких условиях резцы подвергаются ударному воздействию, ускоряющему их износ. В связи с этим актуальным является исследование упругопластических и прочностных свойств нитрида бора при динамическом нагружении.
Нитрид кремния интенсивно исследуется в связи с его высокими механическими, электрическими и термическими характеристиками. Он обладает низким коэффициентом термического расширения и высокой термической стойкостью, что позволяет ему в отличие от аналогичных материалов, сохранять свою прочность при высоких температурах. Высокая химическая стойкость нитрида кремния обусловила его применение в тех областях промышленности, где используются агрессивные среды. До настоящего времени было известно две модификации нитрида кремния - а и р. Недавно была открыта новая с -модификация, которая, наиболее близка по твердости к нитриду бора и алмазу [4]. Ударно-волновой и детонационный синтез являются перспективными методами наработки высокоплотной с-фазы нитрида кремния с целью ее дальнейшего исследования, и оптимизация этих процессов невозможна без исследования динамической сжимаемости этого материала.
Решение сформулированных задач является важным вкладом в область знаний о сверхтвердых материалах, чем и обусловлена актуальность данных исследований.
Цели работы.
Экспериментальное определение ударной адиабаты и зависимости скорости звука от давления в фуллерите Сєо- Исследование связи особенностей ударной сжимаемости фуллерита Сєо с полиморфными превращениями.
Определение предела текучести и откольной прочности образцов из кубического нитрида бора, полученных высокотемпературным прессованием.
Построение ударной адиабаты пористых образцов из нитрида кремния. Исследование влияния разогрева пористого материала при ударном сжатии на давление перехода графитоподобной (3-фазы нитрида кремния в кубическую с-фазу.
Научная новизна. Впервые построена ударная адиабата фуллерита Сєо и найдена зависимость скорости звука от давления, что позволило выявить фазовый переход при давлении 10 ГПа, соответствующий полимеризации, и начало образования алмазной фазы при 22 ГПа; определены динамический предел текучести и откольная прочность образцов из кубического нитрида бора; построена ударная адиабата пористых образцов нитрида кремния, и показано, что давление фазового перехода (3->с сильно зависит от температуры, причем при повышении температуры давление фазового перехода падает.
Экспериментальная методика. Получение этих уникальных данных стало возможным благодаря используемой в данной работе методике. Во-первых, регистрация скорости с помощью интерферометра VISAR позволяет с высокой разрешающей способностью измерить профили массовой скорости в ударных волнах, в частности структуру их фронтов, из анализа которых можно получить представления о кинетике фазовых переходов и характере упругопластического деформировании исследуемых материалов. Во-вторых, одновременная регистрация массовой скорости и скорости ударной волны дали возможность исследовать ударную сжимаемость и построить ударные адиабаты исследуемых веществ.
Основные положения, выносимые на защиту.
Экспериментально измеренные ударно-волновые свойства фуллерита и интерпретация зарегистрированных особенностей на ударной адиабате и зависимости скорости звука от давления как следствие фазовых переходов в СбО-
Регистрация профилей ударных волн в высокотвердом хрупком материале - кубическом нитриде бора с целью определения динамического предела текучести и величины откольной прочности.
Исследование влияния температуры ударно-волнового сжатия пористых образцов нитрида кремния на давление фазового перехода (3-фазы в кубическую модификацию.
Практическая ценность. Практическая ценность исследования сверхтвердых материалов, таких как высокоплотные фазы фуллерита Сєо, нитрида бора и нитрида кремния, имеет большое значение. В данной работе показано, что при ударно-волновом нагружении фуллерита до давлений порядка 30 ГПа наблюдается резкий скачок скорости звука в несколько раз, что свидетельствует об образовании высокоплотной фазы, возможно алмазного нанокристаллического композита, которая может обладать высокими прочностными характеристиками. Интерес представляет ее дальнейшее исследование с целью определения возможности применения в промышленности как сверхтвердого материала.
Применение плотных модификаций нитрида бора востребовано в тех областях техники, где материалы могут испытывать сильные механические нагрузки, в частности динамические (ударные). В связи с этим, необходимо исследовать упругопластические и прочностные свойства нитрида бора, такие как предел текучести и откольная прочность. В настоящее время нитрид бора используется в качестве материала для изготовления абразивного инструмента и сверхтвердого режущего инструмента для обработки сталей и сплавов черных металлов. Значительным его преимуществом перед алмазом является большая устойчивость по отношению к черным металлам. Также рассматривается возможность применения нитрида бора в качестве оптических окон в установках по исследованию позитронных пучков, где они (окна) могут испытывать гидродинамический удар расплавленного свинца и подвергаться откольному разрушению.
Нитрид кремния используется в тех областях техники, где требуется сочетание максимальных механической, термической и химической устойчивостей. Еще одно преимущество нитрида кремния - низкий коэффициент термического расширения. В промышленности применяются изделия из а - и 8 - модификаций нитрида кремния, спеченных с различными добавками. Сверхтвердая с - модификация в настоящее время исследуется на возможность ее производства и применения в промышленности.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались и обсуждались на XLVI научной конференции МФТИ 2003 г.; на конкурсе молодых ученых им. СМ. Батурина (ИПХФ РАН, Черноголовка 2003); на XIII симпозиуме по горению и взрыву (ИПХФ
РАН, Черноголовка 2005); на XXI Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус, 1-6 марта 2006 г); на IV Российском симпозиуме «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах» (Новый Афон, 22 июля - 1 августа 2006 г.); на Всероссийской школе - семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых (ИСМАН РАН, Черноголовка 2003, 2004, 2005, 2006 гг.); на XXII Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус, 1-6 марта 2007 г); на IX Международной конференции «Забабахинские научные чтения», сентябрь 2007, Снежинск, Челябинская обл., Россия; на Второй Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», (Москва октябрь 2007); на XV Международной конференции «Shock Compression of Condenced Matter» (июнь 2007, Гаваи, США); на XXIII Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус, 1-6 марта 2008 г). По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, в том числе 10 статей и 16 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа объемом 143 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащего основные результаты и выводы работы, и списка литературы из 104 библиографических единиц. В работе содержится 84 рисунка и 2 таблицы.
